Способ получения ингибитора коррозии меди

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано в электрохимии для получения антикоррозионных защитных покрытий меди. Предложен способ получения ингибитора коррозии меди, а именно олигомеров анилина. Проводят окислительную полимеризацию мономера анилина в присутствии растворенных в реакционной смеси фермента лакказы, молекулярного кислорода, 1,4-фенилендиамина или N-фенил-1,4-фенилендиамина, кислого допанта. Реакцию полимеризации останавливают на стадии образования олигомеров анилина, растворимых в тетрагидрофуране, путем добавления в реакционную среду 3% водного раствора аммиака в количестве, необходимом для достижения pH реакционной среды 9-12. Изобретение позволяет получать растворимые в тетрагидрофуране олигомеры анилина в одну стадию в кинетически контролируемом режиме и уменьшить образование токсичных побочных продуктов. 4 ил., 9 пр.

 

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к биокаталитическому синтезу органических соединений и, конкретно, растворимых олигомеров анилина, и может быть использовано для создания антикоррозионных покрытий меди.

Медь является одним из наиболее широко используемых материалов в промышленности благодаря своей высокой электро- и теплопроводности, а также хорошим механическим свойствам. Медь широко используется в электронных устройствах, бытовых приборах, электрокоммуникациях, нагревательных и охлаждающих системах и других областях. Предполагается широкое использование меди в качестве материала нанопроводов. Медь достаточно устойчива в условиях окружающей среды, однако этот металл подвержен коррозии в агрессивных средах, в частности в присутствие анионов хлора. Ингибиторами коррозии меди являются соединения неорганической природы - хроматы, молибдаты, тетрабораты (A. Igual Muňoz, J. Garcia Antón, J.L. Guiňón, V. Pérez Herranz, Electochimica Acta 50 (2004) 957), но наиболее часто используются органические соединения, такие как азолы (Е.М. Sherif, Su-Moon Park, Electochimica Acta 51 (2006) 6556; J.O. Ztrbino, Electrochimica Acta 45 (1999) 819; M.M. El-Naggar, Corrosion Science 42 (2000) 773; амины (Е.М. Sherif, Su-Moon Park, Electrochivica Acta 51(2006) 4665; Maryam Ehteshamzadeh, Taghi Shahrabi, Mirghasem Hosseini, Anti-Corrosion Methods and Materials 53/5 (2006) 296; аминокислоты (G. Moretti, F. Guidi, Corrosion Science 44 (2002) 1995) и другие соединения. Многие из этих соединений являются токсичными и обладают плохой адсорбцией на поверхности меди. Соединения с большей молекулярной массой лучше сорбируются на поверхности меди и обладают большим антикоррозионным эффектом. Использование электроактивных органических полимеров для создания покрытий, ингибирующих коррозию металлов, имеет большой потенциал применения. Одним из таких полимеров является полианилин (ПАНИ), который получают путем химической или электрохимической полимеризации мономера анилина.

Обычно электропроводящий ПАНИ получают методами химической или электрохимической полимеризации анилина (J.-C. Chiang, A.G. MacDiarmid, Synth. Met., 13 (1986) 193; Y.-B Shim, S.-M Park, Synth. Met. 29 (1989) 169). Наиболее широко используется химическая полимеризация, поскольку этот метод позволяет наносить электропроводящий полимер на поверхность методом in situ. Серьезными недостатками данного метода является использование больших количеств окислителя, таких как персульфат аммония, хлорное железо или бихромат калия (Е.С Venancio, Р.-С.Wang, A.G MacDiarmid,. Synth. Met. 156 (2006) 357; K. Tzou, R.V. Gregory, Synth. Met., 47 (1992) 267), высокая кислотность реакционной среды, а также автокаталитический характер реакции полимеризации (Y. Сао, А. Andreatta, A.J. Heeger, P. Smith, Polymer 30 (1989) 2305). Кроме того, в качестве побочного продукта химической полимеризации анилина в сильнокислой среде образуется токсичное соединение бензидин (F. Lux, Polymer 35 (1994) 2915). Недостатками электрохимического метода полимеризации анилина является невозможность нанесения полимера на непроводящие поверхности, ограничения по площади электрода, а также необходимость проводить реакцию в сильнокислых растворах

Биокатализ является важной альтернативой химическому получению различных соединений, так как позволяет уменьшить нагрузку на окружающую среду, что во многом отвечает требованиям «белой биотехнологии». В последние годы возрастает внимание исследователей к использованию ферментов для катализа реакций полимеризации как новой методология синтеза полимеров, а также с целью получения продуктов с новыми свойствами (S. Kobayashi, Н. Uyama, S. Kimura, Chem. Rev 101 (2001) 3793, Т. Kudanga, G.S. Nyanhongo, G.M. Guebitz, S. Burtona, Enzyme Microb. Technol. 48 (2011) 195; F. Hollmann and I.W. С.E. Arends, Polymers 4 (2012) 759; S. Witayakran, A.J. Ragauskas, Adv. Synth. Catal. 351 (2009) 1187).

По сравнению с традиционными методами (химическим и электрохимическим) использование ферментов позволяет проводить окислительную полимеризацию анилина при экологически благоприятных и достаточно «мягких» условиях без образования токсичных побочных продуктов. Обычно в качестве биокатализаторов используют оксидоредуктазы (R. Cruz-Silva, J. Romero-García, J. L. Angulo-Sánchez, A. Ledezma-Pérez, E. Arias-Marín, I. Moggio, E. Flores-Loyola, Eur. Polym. J. 41 (2005) 1129; R. Cruz-Silva, C. Ruiz-Flores, L. Arizmendi, J. Romero-García, E. Arias-Marin, I. Moggio, F.F Castillon, M.H. Farias, Polymer 47 (2006) 156; A. Kausaitea, A. Ramanaviciene, A. Ramanavicius, Polymer 50 (2009) 1846; G. Shumakovich, V. Kurova, I. Vasil'eva, D.Pankratov, G. Otrokhov, O. Morozova, A. Yaropolov, J. Mol. Catal. B: Enzym. 77 (2012) 105).

Наиболее часто для синтеза электропроводящего ПАНИ используют лакказу и пероксидазу. В результате ферментативных реакций с участием этих ферментов конечным продуктом восстановления окислителя является вода. Однако важно отметить, что ПАНИ, синтезированный как химическим, так и биокаталитическим методами, обладает плохой технологичностью использования, так как в результате реакции получается полимер, нерастворимый в известных полярных и неполярных растворителях. Поэтому для предотвращения коррозии железа/стали ПАНИ в эмеральдиновом состоянии окисления (в форме основания или соли) используется в качестве одного из компонентов различных красок или смесей (А.В. Samui, A.S. Patankar, J. Rangarajan, Р.С. Deb, Prog. Org. Coat. 47 (2003) 1; Y. Chen, X.H. Wang, J.Li, J.L. Lu, F.S. Wang, Electrochim. Acta 52 (2007) 5392). В то же время олигомеры анилина со степенью полимеризации от 2 до 14 растворимы в некоторых органических растворителях, например тетрагидрофуране, что дает возможность равномерно наносить их по поверхности металла. Необходимо отметить, что метод химической полимеризации анилина не позволяет остановить реакцию до полного расходования окислителя (Y. Wei, K.F. Hsueh,, G.-W. Jang, Polymer, 35 (1994) 3572).

В качестве прототипа выбран способ химического получения олигомеров анилина (US Patent, 6,518,394), включающий следующую последовательность операций:

- приготовление водного раствора анилина и 1,4-фенилендиамина;

- приготовление раствора окислителя;

- инициирование реакции полимеризации добавлением раствора окислителя к раствору, содержащему мономер анилина и 1,4-фенилендиамина.

Для химического получения олигомеров анилина в качестве окислителя использовали пероксидисульфат аммония. Реакцию проводили в охлажденном ниже 5°C 1М растворе соляной кислоты. Недостатком известного способа получения олигомеров анилина является необходимость использования сильнокислой среды, высоких концентраций окислителя, утилизации продуктов восстановления окислителя и невозможность прекратить реакцию полимеризации до полного исчерпания окислителя.

Технической задачей и, соответственно, техническим результатом изобретения является разработка простого, экологически чистого способа получения эффективных ингибиторов коррозии меди на основе олигомеров анилина, растворимых в органических растворителях с низким содержанием экотоксикантов в реакционной смеси. Поставленная задача решается предлагаемым способом, предусматривающим проведение окислительной полимеризации анилина в присутствии медьсодержащего фермента (лакказы) и ускорителя реакции полимеризации мономера анилина, относящегося к первичным ароматическим аминам или к цианидным комплексам переходных металлов.

Реализация технической задачи и получение технического результата обеспечено использованием следующей совокупности существенных признаков.

Биокаталитический способ получения ингибиторов коррозии меди включает одну стадию: синтез олигомеров в процессе окислительной полимеризации соответствующего мономера, причем полимеризацию проводят в присутствии растворенных в реакционной смеси фермента лакказы, кислых допантов, окислителя и ускорителя ферментативной реакции,

при этом:

- полимеризацию проводят при pH 2,5-5,0, температуре 0-50°C;

- для проведения окислительной полимеризации используют свежеперегнанный мономер, полученный перегонкой под вакуумом;

- в качестве биокатализаторов используют грибные лакказы как естественных, так и генно-инженерных продуцентов;

- в качестве окислителя используют молекулярный кислород;

- в качестве растворителей используют водные или водно-органические растворы;

- в качестве ускорителей ферментативной реакции используют соединения, относящиеся к первичным ароматическим аминам, а именно 1,4-фенилендиамин или N-фенил-1,4-фенилендиамин;

- в качестве кислых допантов используют сильные неорганические кислоты, органические сульфокислоты или их соли и фитиновую кислоту, для получения фермента лакказы применяют как естественные грибы, такие как Pleurotus, или Phlebia, или Trametes, или Cerrena, или Partus, или Pycnoporus, или Myceliophtora (Trametes hirsute, или Trametes pubescens, или Trametes ochracea, или Trametes versicolor, или Cerrena maxima, или Coriolopsis fulvocinerea, или Partus tigrinus, или Myceliophtora thermophyla), так и грибы, измененные методом генной инженерии;

- реакцию полимеризации анилина проводят в течение 1-5 часов и затем останавливают путем добавления 3% водного раствора аммиака в количестве, необходимом для достижения pH реакционной среды 9-12. Образовавшиеся олигомеры анилина должны быть растворимы в тетрагидрофуране.

Предложение поясняется следующим.

Лакказа (п-дифенол:кислород оксидоредуктаза, КФ 1.10.3.2) катализирует окисление широкого круга органических и неорганических соединений молекулярным кислородом с одновременным его восстановлением до воды. Лакказы являются коммерчески доступными или могут быть получены стандартными способами. В принципе продуцентами этих ферментов могут быть как естественные организмы, так и организмы, измененные методами генной инженерии. Для получения особенно предпочтительных лакказ применяются грибы, такие как Pleurotus, Phlebia, Trametes, Cerrena, Panus, Pycnoporus, Myceliophtora (Trametes hirsuta, Trametes pubescens, Trametes ochracea, Cerrena maxima, Coriolopsis fulvocinerea, Trametes versicolor, Panus tigrinus, Myceliophtora thermophyla, Pycnoporus cinnabarinus).

Ускорителями называют низкомолекулярные соединения, являющиеся субстратами лакказ, которые в результате ферментативного окисления образуют устойчивые высокореакционные продукты. Последние в диффузионно-контролируемом режиме могут вступать в химические (неферментативные) реакции с другими соединениями, которые либо не подвергаются каталитическому окислению с участием только медьсодержащих оксидаз, либо скорость их окисления низка (US Patent 5,965,510; WO 200,302,3133; WO 2003023043; WO 03016615; JP 2001037465).

Предлагаемый способ включает одну стадию: синтез олигомеров анилина в процессе окислительной полимеризации мономера и в присутствии растворенных в реакционной смеси ускорителя реакции, кислого допанта и окислителя - молекулярного кислорода - при pH 2,5-5,0, температуре 0-50°C, катализируемый лакказой. В качестве растворителей используют водные или водно-органические растворы.

В качестве ускорителя лакказа-катализируемой реакции используют ароматические амины: 1,4-фенилендиамин и N-фенил-1,4-фенилендиамин. В качестве окислителя используют молекулярный кислород. В качестве биокатализатора используют грибные лакказы. В качестве кислотного допанта используют сильные неорганические кислоты, органические сульфокислоты или их соли и фитиновую кислоту.

Ферментативный способ получения олигомеров анилина, растворимых в органических растворителях, ускорителей реакции и кислотного допанта является экологически чистым, одностадийным, позволяет проводить процесс окислительной полимеризации мономера анилина с высокой скоростью и высоким выходом в кинетически контролируемом режиме, что удешевляет конечный продукт.

Изобретение поясняется следующими примерами.

В примерах исследование коррозии меди проводили методом линейной вольтамперометрии. Потенциал рабочего электрода изменяли в интервале -0,5 - +0,5 В (относительно Ag|AgCl) со скоростью изменения потенциала 10 мВ/с. В качестве рабочего электрода использовали полоски медной фольги (чистота 99,99%) размером 5×15 мм, которые сначала очищали наждачной бумагой, полировали алюминиевой пастой (АР-А Suspension, Struers), промывали деионизированной водой, ацетоном, снова водой, а затем высушивали. Эффективность ингибирования коррозии рассчитывали из анодного тока электрода с нанесенными олигомерами анилина при потенциале 0,45 В (относительно Ag|AgCl) по сравнению с током на контрольном электроде в отсутствие олигомеров анилина. Последнее значение принимали за 100%.

Оборудование: Вольтамперометрический анализатор (BAS) был использован для записи линейных вольтамперограмм; Ag/AgCl (BAS) - электрод сравнения; платиновая пластина - вспомогательный электрод. Эксперименты проводили по 3-х электродной схеме в стеклянной электрохимической ячейке. MALDI-TOF спектры дедопированных олигомеров анилина были записаны с использованием Brucker Daltonocs Micriflex mass spectrometer. УФ-видимые спектры продуктов полимеризации записывали с использованием спектрофотометра UV1240mini (Shimadzu).

Пример №1. В 20 мл 0,1 М Na-цитрат-фосфатном буфере, pH 3,5, растворяли при перемешивании эквимолярные количества додецилбензолсульфоната натрия (ДБСNa) и свежеперегнанного анилина (АН) в конечных концентрациях 20 мМ. Затем к полученной дисперсии добавляли ускоритель ферментативной реакции - 1,4-фенилендиамин (ФДА) в таком количестве, чтобы его концентрация в реакционной среде была 2 мМ (соотношение АН:ФДА=10:1), и смесь перемешивали в течение 1 часа в аэробных условиях. Реакцию полимеризации инициировали добавлением гомогенного препарата лакказы из базидиального гриба Trametes hirsuta с конечной удельной активностью в реакционной среде 4 МЕ/мл. За единицу активности (ME) принимали количество фермента, катализирующего окисление 1 микромоля АБТС за мин. Реакцию проводили в аэробных условиях при перемешивании в течение 4-х часов при температуре 20-21°C. Реакционная смесь изменяла цвет в ходе полимеризации от мутно-белого до зеленого в течение 25 мин. Затем ферментативную реакцию полимеризации останавливали добавлением в реакционную среду 3% водного раствора аммиака в количестве, необходимом до достижения pH реакционной среды 9-12. Образовавшийся осадок синего цвета отделяли от реакционной среды центрифугированием, многократно промывали деионизированной водой и высушивали при температуре 70°C. Высушенный осадок растворяли в тетрагидрофуране. УФ-видимый спектр продуктов полимеризации представлен на рисунке 1. MALDI TOF спектр продуктов полимеризации представлен на рисунке 2. Молекулярные массы продуктов полимеризации, рассчитанные из масс-спектров составляли 184-985 Да. Для исследования антикоррозионных свойств полученного продукта раствор олигомеров анилина в тетрагидрофуране (5 мг/мл) наносили на поверхность предобработанного медного электрода методом полива и высушивали. Электрохимические исследования проводили при комнатной температуре в аэрированных растворах 0,1 М HCl и 3% NaCl, приготовленных с использованием деионизированной воды. Эффективность ингибирования коррозии меди, рассчитанная из анодного тока при потенциале 0,45 В (относительно Ag|AgCl), составляла около 89% (рисунок 3). По сравнению с контрольным электродом растворение меди на электроде с нанесенными на его поверхность олигомерами анилина снижалось на 96% в растворе 3% NaCl (рисунок 4). Анодный ток на медном электроде, покрытом защитным слоем из олигомеров анилина, при потенциале 0,45 В является стабильным в тестовых растворах и его значение практически не изменяется по крайней мере в течение 22 ч.

Пример №2. Синтез олигомеров анилина в мицеллярном растворе ДБСNa проводили аналогично описанному в примере №1, но при температуре 0°C. Для этого реакционную смесь помещали в сосуд со льдом и увеличивали время синтеза до 7 часов.

Пример №3. Синтез олигомеров анилина в мицеллярном растворе ДБСNа проводили аналогично описанному в примере №1, но при температуре 50°C. При этом реакцию полимеризации прекращали через 2,5 часа после инициирования реакции полимеризации ферментом из гриба Trametes hirsua.

Пример №4. Для сравнения синтез олигомеров анилина в мицеллярном растворе ДБСNa, аналогично описанному в примере №1, но без добавления в реакционную смесь ускорителя ферментативной реакции. В процессе синтеза раствор медленно изменял окраску до зеленого цвета в течение 6 часов. Реакцию полимеризации останавливали водным раствором аммиака через 20 часов после инициирования реакции лакказой.

Пример №5. Синтез олигомеров анилина в мицеллярном растворе ДБСNa проводили аналогично описанному в примере №1, но вместо гомогенного препарата лакказы использовали фильтрат культуральной жидкости базидиального гриба Trametes hirsuta. Оксидазная активность ферментного препарата составляла 3,6 МЕ/мл. В реакционную смесь добавляли 2 мл культуральной жидкости и реакцию полимеризации проводили в течение 5 часов. После остановки реакции 3% водным раствором аммиака полученный осаток фильтровали, высушивали и растворяли в тетрагидрофуране. Оставшийся осадок нерастворимых в тетрагидрофуране компонентов культуральной жидкости отфильтровывали. Эффективность ингибирования коррозии меди полученным препаратом олигомеров анилина в 3% растворе NaCl составляла 93%.

Пример №6. Синтез олигомеров анилина в мицеллярном растворе ДBCNa проводили аналогично описанному в примере №1, но вместо ФДА в качестве ускорителя ферментативной реакции использовали N-фенил-1,4-фенилендиамин (ДА). Для этого ДА растворяли в этиловом спирте и добавляли к реакционной смеси, содержащей АН и ДБСNa. Концентрация ДА в реакционной смеси составляла 1 мМ, а концентрация спирта не превышала 5 объемных %.

Пример №7. Синтез олигомеров анилина в мицеллярном растворе ДБСNa проводили аналогично описанному в примере №1, но в качестве биокатализатора использовали лакказу, выделенную из базидиального гриба Cerrena maxima.

Пример №8. 20 мл реакционной смеси, содержащей свежеперегнанный анилин в концентрации 0,1 М и S-сульфокамфорную кислоту в концентрации 0,11 М в деионизированной воде (pH 2,75), перемешивали на мешалке в течение 1 часа. Затем в полученный раствор для ускорения ферментативной реакции полимеризации вносили спиртовой раствор ДФА при постоянном перемешивании. Конечная концентрация ДФА в реакционной среде составляла 5 мМ (соотношение концентраций мономера анилина к ускорителю 20:1). Реакцию полимеризации анилина осуществляли добавлением в раствор лакказы из гриба Trametes hirsuta с удельной активностью в реакционной среде 3 МЕ/мл. Синтез олигомеров анилина проводили при температуре 20-22°C в аэробных условиях при постоянном перемешивании в течение 5 часов. Реакцию полимеризации останавливали добавлением в реакционную смесь 3% водного раствора аммиака путем доведения pH до значений 10-12. Полученный осадок отделяли от реакционной смеси центрифугированием, многократо промывали деионизированной водой и высушивали при 60°C в течение 48 часов. Полученный продукт растворяли в тетрагидрофуране. Эффективность ингибирования коррозии меди в 1 м HCl составляла 86%.

Пример №9. К 10 мл 0,1 М Na-цитратного буфера, содержащего эквимолярные концентрации мономера анилина и фитиновой кислоты (30 мМ), добавляли ФДА с конечной концентрацией 2 мМ. Доводили значение pH полученной смеси до значения 3,5. Полученный раствор перемешивали в течение 30 мин. Реакцию полимеризации инициировали добавлением в реакционную смесь препарата лакказы из базидиального гриба Trametes hirsuta. Удельная активность фермента в реакционной среде составляла 4 МЕ/мл. Реакцию полимеризации останавливали через 3 часа добавлением 3% водного раствора аммиака для достижения рН среды 9.5. Осадок отделяли центрифугированием, многократно промывали деионизированной водой, высушивали и растворяли в тетрагидрофуране.

Способ получения ингибитора коррозии меди, а именно олигомеров анилина, включающий синтез олигомеров анилина в процессе окислительной полимеризации мономера, отличающийся тем, что полимеризацию проводят в присутствии растворенных в реакционной смеси фермента лакказы, молекулярного кислорода в качестве окислителя, 1,4-фенилендиамина или N-фенил-1,4-фенилендиамина в качестве ускорителя ферментативной реакции, кислого допанта и реакцию полимеризации останавливают добавлением в реакционную среду 3% водного раствора аммиака в количестве, необходимом для достижения pH реакционной среды 9-12, на стадии образования олигомеров анилина, растворимых в тетрагидрофуране.